PBO纖維性能及軍用帳篷紗開發實踐

摘 要：為了生產PBO帳篷紗，對比分析了PBO纖維的物化性能，探討18.5tex純PBO短纖維成紗工藝過程及紡紗工藝要點，結果表明：PBO纖維的斷裂強度為32 cN/dtex，極限氧指數為68%，初始模量為240 cN/dtex，是一種高強度、高模量、高阻燃合成纖維，其成紗各項性能指標較優，能滿足軍用帳篷用紗的需要。

關鍵詞：PBO纖維；阻燃；高強度；紡紗；質量

中圖分類號：TQ342.739 文獻標識碼：C 文章編號：1674-2346（2017）02-009-04

1 前言

帳篷紗線要求強度高、阻燃性好，選用的纖維要具有較高的強度和初始模量、耐熱性好、耐疲勞性能和耐沖擊負荷優異，尺寸穩定。目前制作帳篷紗的材料有棉花、粘膠纖維、聚酰胺纖維和聚乙烯醇纖維等，但性能各有不同。棉花和粘膠是上世紀50年代中期的主導產品，有易吸濕、吸濕后強度降低的缺點，制作的帳篷強度、耐熱、耐疲勞較差，已不能滿足需要；到70年代合成纖維的聚酰胺帳篷紗逐步取代了棉花和粘膠，主要用于民用帳篷用紗，雖然聚酰胺帳篷紗強度高、耐沖擊、耐疲勞性好，但尺寸穩定性差；芳香族聚酰胺帳篷紗是 80年代開發的帳篷紗，具有強度高、模量大等特點，耐高溫和尺寸穩定性更好，適用于對性能要求高的軍用帳篷紗。本文以芳香族聚合物PBO為原料，研究了其性能，開發了PBO短纖維18.5tex帳篷紗，并探討了其工藝過程及紡紗要點。[1]

PBO是聚對苯撐苯并雙噁唑纖維的簡稱，是一種含芳香雜環的苯氮聚合物，其商品名為Zylon（柴隆），也被譽為“21世紀的超級高性能纖維”，化學結構式如圖1所示。[2]

這種結構具有高度取向規整的二維或三維結構，使得PBO纖維具有特殊的物理性能，幾種常用纖維性能對比如表1所示。

表中：PSA為芳砜綸，P84為芳香族聚酰亞胺纖維， POD為寶德綸，聚芳噁二唑。

由表1可知，PBO纖維的斷裂強度最大，高達32 cN/dtex，是其他合成纖維的10倍左右，是鋼纖維和碳纖維的20倍左右，而斷裂伸長和其他纖維相當，分析其原因，是由于PBO大分子中剛性的苯環及雜環是幾乎與鏈軸共軸的，在拉伸變形時，應變能直接由剛性對位鍵和環的變形而消耗，以及分子鏈在液晶紡絲過程中形成的高度取向的有序結構，因此使得PBO纖維的尺寸穩定性好，即使斷裂強力很大，而斷裂伸長率也較小。[3-4]此外，PBO纖維的裂解溫度達到620℃，極限氧指數高達68%，在現有的化學纖維中最高。另外，在火焰中不燃燒、不收縮，耐熱性和難燃性高于其它任何一種纖維。由表還可知，PBO纖維的初始模量較高，與碳纖維相當，紡紗性能較差。總之，PBO纖維的主要特點是高強度、耐熱性好和初始模量較高，由于其密度遠遠低于碳纖維，因而PBO纖維可用于制造更輕的高強復合材料，而其優秀的耐高溫性能使其應用更加廣泛。

2 PBO纖維帳篷紗紡紗工藝

2.1 原料選擇和預處理

選用東洋紡織株式會社PBO短纖維（1.7D？4mm），其物理性能如下：

纖維細度： 1.7D 品質長度： 44mm 斷裂強度：32.8 cN/dtex 斷裂伸長：3.0%

比重：1.56g/cm3 比電阻：1.32？10/ 熔點：620℃

由于PBO纖維回潮率較低，約為3.15%，所以在紡紗前需經過加濕預處理，加濕液配方為平平加0.2%、硅油0.8%、JFC滲透劑2.0%，用45℃左右溫水攪拌均勻后，將纖維分層鋪放，層層加濕，養生48h，回潮率控制在7%左右，車間的溫度控制在20～25℃、相對濕度控制在70%～75%。

2.2 紡紗工藝流程

PBO纖維包→A002C型自動抓棉機？→A035E型混開棉機→FA106C型梳針式開棉機→A092A型雙棉箱給棉機？→A076F型單打手成卷機？→A186F型梳棉機→FA317A型并條機→FA317A型并條機→FA423A型粗紗機→FA506型細紗機→No.7-Ⅱ型村田自動絡筒機。

2.3 各工序的工藝要點及注意事項

2.3.1 開清工藝

針對PBO纖維細而長、含雜少的特點，開清棉工序應采用“多松少打、薄層快喂、低速度、大隔距”的工藝原則，車間溫濕度適當偏大掌握，以減少纖維損傷和棉結的產生而造成成紗條干不勻率提高和細節的增加。[5]

主要工藝參數為：抓棉打手伸出肋條的距離為2mm，開棉機采用平行打手，同時適當降低平行打手的速度；開棉機打手采用梳針式，梳針打手速度為450 r/min；綜合打手速度700r/min；成卷羅拉速度10r/min，成卷定量250g/m。[6]

2.3.2 梳棉工藝

由于PBO纖維是由眾多微纖結構組成，極容易微纖化，[8-10]所以梳棉工序減少對纖維的損傷是關鍵技術，也是整個紡紗過程的重點工作，為此，采用了“輕定量、低速度、緊隔距、快轉移、少損傷”的工藝原則，適當增加分梳板的工藝長度，降低了錫林和道夫的速度，增加了纖維的轉移率，保證纖維的充分梳理和順利轉移，提高棉網清晰度，對主要隔距進行了調整，[6]調整后的主要隔距如表2所示。

主要工藝參數為：生條定量15g/5m，錫林轉速350r/min，刺輥轉速580r/min，道夫轉速16r/min。選用針布的型號為：錫林針布為AC2030？1550、道夫針布為AD4030？1890。

2.3.3 并條工藝

針對PBO纖維靜電大，條子容易纏羅拉和膠輥的現象，因此采用二道并合，避免條子過熟過爛，采用“大牽伸、重加壓、大隔距、輕定量”的工藝原則。為了保證條干質量，并條干重控制在15g/5m左右，前區羅拉握持距為50mm，后區牽伸倍數為1.8。需要注意的問題是，頭道并條總牽伸易小，以提高生條的條干均勻度，后區牽伸倍數宜稍大，有利于纖維的平行，從而為條干均勻度打下良好的基礎。另外，加壓不宜過大，防止造成的纖維繞羅拉、繞膠輥和條干不勻。[7]

2.3.4 粗紗工藝

采用“輕定量、低速度、高捻度、重加壓”的工藝原則，粗紗定量控制在3g/5m左右，牽伸倍數不宜超過8倍，后區牽伸倍數在1.2左右，捻系數為70，采用大的捻系數有利于纖維間抱和，減少粗紗意外伸長而惡化成紗條干，粗紗工藝參數如表3所示。

2.3.5 細紗工藝

細紗工序主要工藝參數如表4所示，鋼領選用PG1/2-3854型，鋼絲圈選用FU40型，羅拉使用同和紡機生產無牽伸波羅拉，膠輥選用不處理軟彈膠輥，[8]溫度控制在23℃～26℃，相對濕度控制在70%～75%。

2.3.6 絡筒工藝

由于PBO纖維的初始模量較高，在實際生產中存在接頭難、接頭率低、接頭質量差等問題，為了保證成紗質量和接頭質量，減少毛羽，在No.7-Ⅱ型自動絡筒機上采用“小壓力、慢退捻、快捻接、小張力”的工藝原則，加捻氣壓調至0.50Mpa，捻接長度在第4位置上，另外將S1凸輪向后旋半格，并將從動桿螺栓位置向內旋4圈，夾紗距離選擇3.5～4.2位置，經過上述調整后，結頭質量最佳。同時還要保證紗線通道的光潔和順暢，減少毛羽的產生，保證成紗質量。[9]

3 PBO纖維帳篷紗成紗質量

在溫度23℃、相對溫度65%的測試環境下，采用寧波紡儀YG020D型單紗強力儀；長嶺紡電YG136型條干均勻度儀（速度為400m/min，時間為1min，量程為100%），對PBO18.5tex的筒子單紗進行檢驗，其成紗質量如下：條干CV 為13.40%，單紗斷裂強力高達CV 12.81 N/dtex ，重量偏差CV ？.0%，-50%細節≤6（個/km），+50%粗節≤12（個/km），+200%棉結≤32（個/km）/g。成紗質量達到GB/T 27735-2011《帳篷布用紗》優等品標準。

4 結語

隨著現代科學技術的不斷進步，尤其是產業用紡織品的迅猛發展，工業用帳篷需求越來越大，對帳篷綜合性能也提出了更高的要求。PBO帳篷紗具有斷裂強度高、伸長率低、耐高溫阻燃、耐化學腐蝕性好性能，PBO纖維以其優良的性能在軍用國防科技等領域具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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[2]劉光彬，談青豹，宋于清.小批量PBO纖維針織股線的試制[J]. 棉紡織技術，2015，43（10）：72-75.

[3]張瑩，馬新安，蔡普寧.PBO纖維性能的試驗研究及其產品開發[J].產業用紡織品，2014，32（02）：20-25.

[4]李仲偉，宋永生.PBO縫紉線的生產及性能研究[J].紡織導報，2013（10）：70-74.

[5]郭玲，趙亮，胡娟，等，國產PBO纖維研究現狀及發展趨勢[J].高科技纖維與應用，2014，39（02）：11-15.

[6]姚穆.紡織材料學：第三版[M].北京：中國紡織出版社，2009：234.

[7]任家智.紡織工藝與設備[M].北京：中國紡織出版社，2006：154-158.

[8]《棉紡基礎》編委會.棉紡基礎：第三版[M].北京：中國紡織出版社，2011：658-662.

[9]王顯方，紀惠軍，楊建民，等.竹漿/毛精紡輕爽花呢的開發[J].山東紡織科技，2014（03）：10-13.

On the Performance of PBO Fiber and the Developing Practice of Military Tent Yarn

WANG Xian-fang

（Shaanxi Institute of Industry Technology，Xianyang，Shaanxi 712000390）

Abstract： This paper comparatively analyzes the physical and chemical properties of PBO fiber and explores the yarn spinning of 18.5 tex pure PBO short fiber and the points of the process.The results show that：the fracture strength of PBO fiber is 32 cN / dtex，the limiting oxygen index is 68%，and the initial modulus is 240 CN / dtex.It is a kind of synthetic fiber with high strength，high modulus，and high flame retardant.The excellent performance of the yarn can meet the needs in military tents.

Key words： PBO fiber； flame retardant； high strength； spinning； quality